13. Amplificateur typique complet
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Royaume du Maroc OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL MODULE 04 Circuits Électroniques Résumé de Théorie Télécharger tous les modules de toutes les filières de l'OFPPT sur le site dédié à la formation professionnelle au Maroc : www.marocetude.com Pour cela visiter notre site www.marocetude.com et choisissez la rubrique : MODULES ISTA Première Année Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en Électronique DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION Septembre 1995 TABLE DES MATIÈRES 13. AMPLIFICATEUR TYPIQUE COMPLET 13-1 13.1 Montage à alimentation bipolaire 13-1 13.2 Diagramme fonctionnel d'un amplificateur de puissance 13.2.1 BLOC #1 : Comparateur ou amplificateur différentiel. 13.2.2 BLOC #2: Gain en tension 13.2.3 BLOC #3: Le gain en courant 13.2.4 BLOC #4: La contre-réaction 13-2 13-2 13-3 13-4 13-4 13.3 Muscles de sortie 13.3.1 Montage en Darlington 13.3.2 Montage en alpha 13.3.3 Montage asymétrique 13.3.4 Mise en parallèle des transistors de puissance 13.3.5 L'utilisation du bootstrap 13-4 13-5 13-5 13-6 13-6 13-7 13.4 AMPLIFICATEURS INTÉGRÉS 13-8 13.5 Exercices 13-10 Résumé de Théorie Circuits Électroniques 13. Amplificateur typique complet 13.1 Montage à alimentation bipolaire Examinez le circuit de la Figure 13-1. +15V R9 15R R3 1k C1 4.7µF + Entrée T6 TIP42 R2 3k3 R1 22k P1 100R T2 T1 R6 22k C2 2.2nF T5 R10 68R R5 3k9 + T8 TIP41 R12 0R5 HP 8R R14 10R R13 0R5 C3 10µF T7 TIP42 T1 = T2 = T3 = 2N4401 C5 0.1µF ou 2N3903 T4 TIP41 T3 D1 1N4004 R4 330R D2 1N4004 R7 220R R8 220R + C4 1000µF R11 33R -15V Figure 13-1 Ne soyez pas effrayés par l'allure du circuit de la Figure 13-1. Il possède la configuration typique d'un amplificateur "de puissance". Il est, d'ordinaire, le maillon final d'une chaîne audio, étant celui qui fournit l'énergie au haut-parleur. Si on examinait plusieurs autres plans on y retrouverait la même structure de base. Cet amplificateur, conçu pour 5 watts, peut facilement fournir une puissance de 8 watts à une enceinte acoustique ayant une impédance de 8. Si on regardait un amplificateur de 200 watts par exemple, on retrouverait sensiblement le même diagramme électronique avec cependant plus de muscle. On reconnaît premièrement le montage push-pull à la sortie (T7 et T8). On remarque aussi l'absence d'un condensateur de couplage entre le haut parleur et la sortie (placée entre R12 et R13). Ceci est rendu possible par l'utilisation d'une alimentation bipolaire. Voici le parcours que fait le signal électrique. Le signal d'entrée est premièrement appliqué à la base de T1. Ce signal se retrouve inversé au collecteur de celui-ci et se retrouve appliqué à la base de T6. Le transistor T6 amplifie le signal et le l'inverse de nouveau. Le signal, alors présent au collecteur de T6 et non inversé par rapport à l'entrée, est appliqué aux bases de T8 et T7 qui s'occupent de fournir, via leurs émetteurs, le courant nécessaire au haut-parleur. Remarquez que le signal à la sortie n'est pas inversé. Amplificateur typique complet page 13-1 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques La base de T1 est donc l'entrée non inverseuse de l'amplificateur. Un diviseur de tension alternatif, formé de R6 et R5, ramène une portion du signal de la sortie à la base du transistor T2, étant l'entrée inverseuse. R6 est la résistance Rf et R5 est la résistance Rin d'une boucle de contre-réaction. Le gain en tension de l'amplificateur au complet est ainsi contrôlé par ces deux résistances. Ce gain vaut 22k / 3,9k + 1 = 6,64. Ainsi, un signal d'entrée de 1 volt RMS produira une puissance de 5,5W au haut-parleur. T3, T4 et T5 sont des transistors servant à la polarisation du système. T3 et T4 sont des sources de courant constant et T5 une source de tension (Upol du push-pull). 13.2 Diagramme fonctionnel d'un amplificateur de puissance Les amplificateurs de puissance commerciaux respectent ce diagramme fonctionnel. Entrée Sortie T1 et T2 BLOC #1 Comparateur T6 T7 et T8 BLOC #3 Gain en courant BLOC #2 Gain en tension R5 et R6 BLOC #4 Contre-réaction Figure 13-2 13.2.1 BLOC #1 : Comparateur ou amplificateur différentiel. Le rôle d'un amplificateur différentiel est d'amplifier la différence entre ses deux entrées. Ce sont T1 et T2 qui composent cet amplificateur ayant le rôle de faire la différence entre les signaux présents sur l’entrée inverseuse et la non inverseuse. Entre leurs émetteurs se trouve un noeud de courant. La somme des deux courants d'émetteur de T1 et T2 correspond au courant de collecteur de T3. Ce dernier sert uniquement à pourvoir ce courant. On dit que T3 est un générateur de courant constant. En supposant que UBET3, UD1 et UD2 valent 0,7V, le courant ICT3 se calculera ainsi: Amplificateur typique complet +15V R3 1k C1 R2 4.7µF 3k3 + Entrée page 13-2 + _ T1 R1 22k T2 C2 2.2nF T3 R7 D1 1N4004 R4 330R 220R R8 D2 1N4004 220R + C4 1000µF -15V Figure 13-3 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques UR4 = UD1 + UD2 - UBET3 = 0,7V + 0,7V - 0,7V = 0,7V (Kirchhoff) ICT3 = IET3 = 0,7V / 330 = 2,12mA T1 et T2 doivent être rigoureusement identiques au niveau de leurs caractéristiques. Si tel est le cas, et si les tensions présentes à leur base de part et d'autre sont identiques (disons 0 volt), les courant ICT1 et ICT2 sont identiques. On dit que le différentiel est équilibré. Rappelez-vous le fonctionnement des entrées d'un amplificateur opérationnel. ICT1 = ICT2 = 2,12mA / 2 = 1,06mA Imaginez que la tension à la base de T1 augmente pendant que celle à la base de T2 reste fixe. La tension UBE de T1 augmente et la tension UBE de T2 doit diminuer (Kirchhoff). Le courant ICT1 augmente et ICT2 diminue tout en respectant le noeud de courant décrit tantôt. Ceci crée une augmentation de la tension aux bornes de R3. Imaginez ensuite que la tension à la base de T1 diminue pendant que celle à la base de T2 reste fixe. La tension UBE de T1 diminue et la tension UBE de T2 doit augmenter (Kirchhoff). Le courant ICT1 diminue et ICT2 augmente tout en respectant le noeud de courant décrit tantôt. Ceci crée une diminution de la tension aux bornes de R3. L'amplificateur différentiel ne sera déséquilibré que si les tensions présentes aux bases de T1 et T2 sont différentes l'une par rapport à l'autre. 13.2.2 BLOC #2: Gain en tension Le rôle de l'amplificateur en tension est d'augmenter l'amplitude du signal. Il pourvoit aussi la plus grande partie du gain en boucle ouverte de l'amplificateur. On se rappelle que le gain en tension se calcule ainsi: Av = RC / RE. RE vaut 15 (R9). La résistance RC est remplacée par un générateur de courant (T4). Une source de courant représente une impédance considérée comme étant l'infini. Cela veut dire que le gain de cet amplificateur est extrêmement grand. À toute fin pratique, l'impédance vue au collecteur de T6 est l'impédance de base de T7 ou T8. +15V R9 15R T6 TIP42 T4 TIP41 R7 220R R8 220R + C4 R11 33R 1000µF La tension aux bornes de R3 est celle qui polarise T6 en déterminant la tension aux bornes de R9. Cette tension, aux bornes de R9, détermine le courant de collecteur de T6. En même temps, le courant de collecteur de T4 est de 0,7V / 33 = 21,2mA.. Il faut donc que T6 fournisse aussi 21,2mA. Si c'est le cas, la tension à la sortie de l'amplificateur sera exactement 0 volt. Si ce n'est pas le cas, on peut ajuster la valeur de R3. Amplificateur typique complet page 13-3 -15V Figure 13-4 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques +15V 13.2.3 BLOC #3: Le gain en courant Le gain en courant est pourvu par le montage pushpull, composé de T7 et T8. T8 TIP41 R12 0R5 T5 13.2.4 BLOC #4: La contre-réaction HP 8R R13 0R5 R6 et R5 ajustent le gain de l'amplificateur selon le besoin. Le condensateur C3 relie R5 à point commun au point de vue alternatif mais il demeure un circuit ouvert en courant continu. Ceci permet d'obtenir un gain unitaire en courant continu. T7 TIP42 -15V Figure 13-5 Cette boucle de contre-réaction contribue aussi à la polarisation du système. Si la tension de sortie, pour une raison quelconque, devenait trop positive en courant continu, cela ramènerait un courant à la base de T2. Ceci aurait comme effet de faire diminuer le courant de T1, qui ferait diminuer le courant de T6 et ceci ramenerait la tension de sortie à 0 volt. Le phénomène inverse se produirait dans le cas d'une tension trop négative. C'est la beauté d'une contre-réaction; ça fonctionne toujours. La structure qu'on vient d'examiner est aussi la même qu'on retrouve à l'intérieur d'un amplificateur opérationnel. On ne réinvente pas la roue! 13.3 Muscles de sortie Vous connaissez déjà la structure générale d'un push-pull. Le signal est toujours appliqué à un push-pull directement via le collecteur du transistor fournissant l'excursion en tension. Ucc+ Ucc+ Ucc Z Upol Ucc Z Upol Upol Z Upol Z Ucc- Ucc- Figure 13-6 Amplificateur typique complet page 13-4 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques La Figure 13-6 montre quatre façons ordinaires d'organiser un étage de sortie en pushpull. Le transistor "d'attaque" ("driver" en anglais) peut être de type NPN ou PNP. Upol, on le sait, est la tension contrôlant la polarisation du push-pull. La boîte "Z" est une haute impédance, étant généralement un générateur de courant fabriqué à l'aide d'un transistor ou d'un "bootstrap". Nous reviendrons au bootstrap un peu plus loin. La Figure 13-6 montre cependant des sorties d'amplificateur plutôt chétives. C'est à dire que la puissance à débiter est relativement faible; on parle d'environ 15 watts en diminuant. Il faut alors avoir plus de muscle. 13.3.1 Montage en Darlington Les résistances R1 et R4 permettent d'éviter que T3 et T4 soient mis en fonction par le courant de coulage de T1 et T2 et elles contrôlent le courant de polarisation de T1 et T2. T1 T3 R1 R2 R4 R3 Upol T4 T2 Z Figure 13-7 13.3.2 Montage en alpha Les résistances R1 et R4 permettent d'éviter que T3 et T4 soient mis en fonction par le courant de coulage de T1 et T2 et elles contrôlent le courant de polarisation de T1 et T2. Ucc+ R1 T3 T1 R2 Upol R3 T2 T4 Z R4 Ucc- Figure 13-8 Amplificateur typique complet page 13-5 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 13.3.3 Montage asymétrique Ucc+ T1 T3 R1 R2 Upol D1 R3 R5 T2 T4 Z R4 Ucc- Figure 13-9 T3 et T4 étant tous deux des NPN identiques, ils représentent une économie pour un fabricant d'amplificateur. Les résistances R1 et R4 permettent d'éviter que T3 et T4 soient mis en fonction par le courant de coulage de T1 et T2. Elles contrôlent aussi le courant de polarisation de T1 et T2. L'ajout de R5 et D1 sert à imiter une jonction UBE en simulant un push-pull symétrique. 13.3.4 Mise en parallèle des transistors de puissance Advenant le besoin d'un courant important, un seul transistor peut se révéler insuffisant afin de faire passer ce courant. On utilisera donc plusieurs transistors installés en parallèle. T1 R1 T2 R2 Figure 13-10 Les jonctions base-émetteur des deux transistors n'étant pas nécessairement identiques, on ajoute les résistance R1 et R2. Elles aideront les transistors à vraiment se partager le courant d'une façon égale. Amplificateur typique complet page 13-6 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 13.3.5 L'utilisation du bootstrap Cet artifice électronique a rapport au bloc "Z" des figures précédentes. Le bootstrap est une manière économique de fabriquer une source à courant constant sans utiliser un transistor. Ucc Ucc+ Upol Upol R1 R1 I pol. Cb R2 UccBipolaire Monopolaire Figure 13-11 À la Figure 13-11, dans le cas du montage bipolaire, R1 et R2 sont de valeur identique. C'est le courant circulant au travers de R1 qui est constant, simulant ainsi une très haute impédance. On retrouve, grâce au condensateur de couplage Cb, la même tension alternative de chaque côté de R1. Il n'y a donc pas de variation de courant dans R1. Toute une astuce! Dans le cas du montage monopolaire, on utilise le condensateur de couplage de la sortie. La tension aux bornes de R1 sera donc constante. Il est à noter que l'amplificateur ne se polarisera, que si le haut-parleur est branché. Il faut donc s'assurer de brancher une charge à la sortie d'un amplificateur ayant une telle configuration lorsqu'on veut diagnostiquer un dysfonctionnement. Amplificateur typique complet page 13-7 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 13.4 AMPLIFICATEURS INTÉGRÉS Les fabricants offrent un large éventail d'amplificateurs de puissance intégrés. Voici trois exemples d'amplificateurs audio intégrés de 5 watts, 20 watts et 50 watts. 22V C3 0,1µF Entrée 14 2 8 LM384 6 10k + C1 500µF - R1 2,7R * 3 + hp 8 C2 0,1µF 5µF * 3, 4, 5, 10, 11 et 12 Figure 13-12: (Document de National Semiconductor). Voici les caractéristiques principales de la Figure 13-12: Puissance de sortie limite de 5 watts dans 8. Gain de 34dB Fréquence de coupure de 300kHz +18V 0,1µF 0,1µF Entrée 100µF 68pF TDA2020 100k 1R hp 4R 3,3k 0,1µF 0,1µF 4,7µF 100µF -18V 100k Figure 13-13: (Document de SGS / ATES Corporation) Amplificateur typique complet page 13-8 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques Caractéristiques principales de la Figure 13-3: Puissance de sortie de 20 watts dans 4 Gain de 30 dB Réponse en fréquence de 10Hz à 160kHz Dissipation thermique de 15W; besoin d'un radiateur de 4,5°C/W maximum. 1,5nF 3,3k 4µH 1,1k LM12 Entrée MR752 2,2R 4R 3900µF 1k + MR752 3900µF + +25V -25V Figure 13-14: (Document National Semiconductor). Caractéristiques principales de la Figure 13-14: Puissance de 50 watts dans 4 Sensibilité de 3,5 volts. Réponse en fréquence jusqu'à 80kHz Amplificateur typique complet page 13-9 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques 13.5 Exercices # 1 - Examiner l'amplificateur suivant. Figure 13-15 Amplificateur 25W Motorola a) Identifier les transistors faisant partie des blocs suivants: Bloc comparateur:_____________ Bloc gain en tension:_______________ Bloc gain en courant: _______________ b) Calculer le gain en tension (dB) de cet amplificateur. c) Calculer les valeurs suivantes (UBE = 0,6V) UBT1 = ? ICT1 = ? UBT4 = ? Amplificateur typique complet UET1 = ? UCT1 = ? UR6 = ? Tension entre R9 et R10 = ? ICT2 = ? page 13-10 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques # 2 - Examiner l'amplificateur suivant. Figure 13-16 : 35W (Motorola) a) Identifier les transistors faisant partie des blocs suivants: Bloc comparateur:_____________ Bloc gain en tension:_______________ Bloc gain en courant: _______________ b) Calculer le gain en tension (dB) de cet amplificateur. c) Quel est le rôle de T4? d) Calculer les valeurs suivantes (UBE = 0,6V) UBT1 = ? UET1 = ? ICT1 = ? UR10 = ? UCT1 = ? UR6 = ? ICT4 = ? Tension entre R15 et R16 = ? ICT2 = ? e) Quel est le rôle de T3? f) Calculer R8 de sorte à régler le courant du push-pull (IR15 et IR16) à 25mA. Amplificateur typique complet page 13-11 OFPPT/TECCART Résumé de Théorie Circuits Électroniques # 3 - Examiner l'amplificateur suivant. Figure 13-17 : 50W (Delco Radio) a) Identifier les transistors faisant partie des blocs suivants: Bloc comparateur:_____________ Bloc gain en tension:_______________ Bloc gain en courant: _______________ b) Calculer le gain en tension (dB) de cet amplificateur. c) Calculer les valeurs suivantes (UBE = 0,6V) UBT1 = ? UBT2 = ? IR3 = IR4 = ? ICT1 = ICT2 = ? Tension entre R13 et R14 = ? UBT6 = ? ICT3 = ? Amplificateur typique complet UET1 = UET2 = ? page 13-12 OFPPT/TECCART
